论文研究-矩形隧道中电磁波场强分布的研究与分析 .pdf

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矩形隧道中电磁波场强分布的研究与分析,郑红党,徐钊,在传统隧道波模理论的基础上推导出多波模传输的理论,结合一些参考文献中的测量环境与数据进行仿真与分析。通过多波模传输理论分
中国科技论又在线 http://www.paper.edu.cn F2=∑∑F:2+E,2+E2) (7) 3.软件仿真与分析 文献[2]是国内测量分析电磁波在隧道中传输特性较全的资料,该文献使用900MHz的 水平极化波测量了太原西山矿井巷道,隧道大约长10km,横截面呈矩形高3m,宽4.2m, 测量分析了接收信号沿纵向与横截面积的变化。 以下仿真将模拟该文献测量环境,运用多波模理论逃行仿真与实际测量结果进行比较, 山此测量数据与理谂分析结合,为测量数据寻找理论依据,同时测量数据山此验证理论分析 的正确性。 31信号随距离变化的规律 图1比较了文献[2]实际所测量数据(实线)与多波模理论仿貞波形(虚线),可以看出 其变化趋势基本致,在隊道的传输中,电磁波的衰减并不是随着距离的增加而单调递减的, 这是由于隧道电磁波的传输是由多模共同完成,不同相位的波模在空间迭加呈现很大的起伏 现象。 距离(m 图1仿真波形与测量数据进行比较 图2仿真比较了水平极化波E与垂直极化波E随距离变化的规律。垂直极化波要比水 平极化波的衰减更大,并且起伏更剧烈。在发射机的近场区,信号快衰落明显,而在远场区, 信号的变化较缓慢,这是因为能够到达远距离的波模数只是有限次模。 20025 300 距离(m 图2与E`随距离变化波形 图3仿真了在隧道轴心、侧壁与顶壁三个位置接收信号的空间分布,中心位置的能量最 为集中,水平极化波在顶墐沿纵轴的哀减较为平缓,在側壁的损耗最大。文献[2]通过测试 也得出接收信号强度在中心位置信号最殂,但认为是由天线在不同位置的插入损耗引起的 这结论不够准确 中国科技论又在线 http://www.paper.edu.cn 中亡位置 侧壁位置 〔壁位置 炬离(m 图3接收信号在不同位置的强度波形 本文认为在隧道这和环境中,信号的场强分布能量集中在中心区,随后关于横截面分布 规律的仿真可以验证这一观点。 32信号在隧道横截面的分布规律 文猷[2]利用900MHz的水平极化波测量总结了接收信号强度分别沿宽度和高度的变化 情况如图4、图5实线波形所示,并总结出“接收信号强度在截面上近似于余弦分布”。图4 5中的虚线是通过多波模理论仿真得到的波形,可以看出与实际测量数据基本吻合,理论仿 真泼形可以看出是不同次数的波模在横截面余弦分布的迭加。 0.5 图4水平极化波信号强度沿宽度的变化 图5水平极化波信号强度沿高度的变化 图6、7分别为水平极化波与垂直极化波强度在横截面的仿真三维图,信号强度沿横截 血起伏现象很明显,理想情况下是符合多个余弦波迭加的波形。水平极化波与重直极化波信 号强度的分布在中心区较集中,且沿宽度方向起伏较为平缓。 高度(m) 图6水平极化波强度在横截面的分布 图7垂直极化波強度在横截面的分布 4.结论 本文以寻求隧道无线信道特性醐效研究方法为目的,发展了波模理论的研究,结合前 人的测量环境与数据,运用多波模理论仿真分析,仿真结果与实际测量数据基本吻合。从以 上分析可以验证多波模理论研究方法的正确性与有效性,该方法可以用来分析矩形隧道中的 4 中国科技论又在线 http://www.paper.edu.cn 大尺度衰落。以上仿真没有考虑散射损耗,散射引起的小尺度衰落还有待于进步究。 参考文献 [1]保罗·德隆泩.王椿年,戴耀森,高怀珍等译.漏泄馈线和地卜无线电通信[M.北京:人民邮电岀版社 [2]张跃平郑国莘等隧道中UHF窄带无线电波传播信道的特性[通信学报,Vol19,No.12,198:4753 [3]张申.咪篷定律与隧道无线数字通信信道建模[J通信学报,Vol.23,No.1200241-50 [4 E. A.J. Marcatili and It. A Schmeltzer, Hollow metallic and orthogonality properties waveguides for long distance optical transmission and lasers[]. Bell Syst. Tech. . voL 43, p. 1783,1964 [5] Emslie A, Lagace R, Strong P. Theory of the propagation of UHF radio waves in coal mine tunnels[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, VoLAP-23, No 2, March, 1975: 192-205 [6]Warren Hawkins, A Path Loss Measurement System for Mines, Proceedings of the 2002 IEEE Canadian Conference on Electrical Computer Engineerin, 2002, g: 474-478 [7]Moisc Ndoh, Gilles. Y. Dclislc, Rcnc Lc, An approach to propagation prediction in a complcx minc environment, 17 International Conference on Applied Electromagnetics and Communications. 2003: 237-240 [8 MAthieu Boutin, Ahmed Benzakour, Charles L. Despins, Radio Wave Characterization and Modeling in Underground Mine Tunnels, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol 56, No 2, 2008: 540-559 [9]魏占永,孙继平,陆俭国,隧道横截面对电磁波传播特性的影响凹,电子科技大学学报, Vol32,No26,2003:620-623 Ll郑红觉徐钊霍羽,矩形隧道中波模理论的分析与硏究,科技论文在线,2008 Research and analysis on the Field distribution of Electromagnetic in the rectangular Tunnel Zheng Hong-dang, Xu Zhao, Nie Xiao-yan China University of Mining Technology, School of Information and Electrical Engineering, Xu Zhou(221008 Abstract The work is that derived multi-mode transmission theory on the basis of the traditional tunnel mode theory combined with the environment and the measurement data in some references to simulation and analysis. The analysis by multi-mode transmission theory on the field distribution of the electromagnetic in the rectangular tunnel, shows that the simulation results tally with the measurement data well Above simulation and analysis prove that the multi-mode transmission theory is an accurate and valid way of research on electromagnetic in tunnel Keywords: Electric wave transmit; Multi-mode transmission; Field distribution; Rectangular tunnel 作者简介 郑红党:(1978-),女,江苏人,中国矿业大学讲师,博上研究生,从事煤矿井下无线通信的 研究。 徐钊:(1955-),男,江苏人,中国矿业人学教授,博士牛导师,从事煤矿通信的研究。 聂小燕:(1985-),女,安徽人,中国矿业大学硕士研究生,从事煤矿井下无线通信的研究

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